Содержание к диссертации
Введение
1. Основные направления развития оптической вычислительной техники 15
2. Физико-технические основы построения оптико-электронных сигнальных процессоров (ОСП) 24
2.1. Архитектура ...24
2.2. Методы конфигурирования ОСП . 27
2.2.1. Конфигурирование ОСП на многоканальную КИХ - фильтрацию 29
2.2.2.Конфигурирование ОСП на
многоканальный спектральный анализ 30
2.2.3.Конфигурирование ОСП на матричное умножение 32
2.2.4.Конфигурирование ОСП на обработку сигналов, передаваемых с помощью распространяющихся
в пространстве волн 34
2.2.5. Конфигурирование ОСП на вычисление пространственной свертки 36
3. Методы построения аналоговых оптических моделей (AOM) 39
3.1..Машинные переменные АОМ
3.2.Элементная база АОМ
3.2.1. Интегратор (пространственно-временной модулятор света) 43
3.2.2. Временной фазовый модулятор света 53
3.2.3. Пространственный модулятор 53
3.2.4. Анализатор 55
3.2.5. Пространственный преобразователь светового сигнала...55
3.2.6. Фотоприемник интегрирующий 56
З.З.Операцин в АОВУ 56
3.3.1. Основной принцип работы ЭОАВУ 56
3.3.2. Универсальные функциональные преобразования в ЭОАВУ 58
3.3.3. Арифметические операции 60
3.3.4. Логические операции 62
3.3.5. Временные интегро-дифференциальные операции..' 63
3.3.6. Пространственные интегро-дифференциальные операции 65
3.4. Примеры набора ЭОАВУ для решения некоторых задач„.б7
3.4.1. Решение интегрального уравнения 67
3.4.2. Решение уравнения в частных производных 68
3.4.3. Адаптивные процедуры в ЭОАВУ 69
4. Пространственные операции в ОАМ и ОСП 72
4.1. Голографические методы реализации
пространственных операторов в ОСП 72
4.1.1. Линейные однородные интегральные преобразования (свертки) 72
4.1.2. Фильтрация со знакопеременным контурным импульсным откликом 74
4.1.3. Голографическая инверсная фильтрация 75
4.1.4. Голографические некогерентные конвольверы 81
4.1.5. Линейные интегральные преобразования общего вида...87
4.1.6.Нелинейные интегральные операторы 89
4.2. Оптические методы реализации пространственных операторов в ОСП 93
4.2.1. Свертка 93
4.2.3. Матричные операции 97
43. Конвейерные методы реализации пространственных операторов в ОСП 105
4.3.1. Объемный вариант ОСП для реализации свертки 105
4.3.2. Планарный вариант ОСП для реализации свертки 107
4.3.3. Объемный вариант конвейерного ОСП для реализации матричных пераций 109
4.4. Оптико-электронная элементная база ОСП 110
4.4.1. Устройства ввода ПО
4.4.2. Системы переадресации оптических сигналов в ОСП 111
4.4.3. Пространственно - временные модуляторы в ОСП для оперативного запоминания и обработки двумерных массивов.. 112
4.4.4. Приборы с зарядовой связью 112
5. ОСП для решения задач распознавания изображений 114
5.1 Распознавание изображений известной формы на фотоснимках 114
5.1.1 Метод распознавания 115
5.1.2 Голографический оптико-электронный процессор для распознавания изображений на аэрофотоснимках 119
5.1.3 Распознавание фрагментов земной поверхности методом контурных эталонов 125
5.2. Контроль размеров деталей сложной формы 129
5.2.1. Метод контроля «129
5.2.2. Голографический процессор для контроля изделий сложной формы 134
53. Распознавание малоразмерных объектов известной формы 139
5.3.1. Система распознавания изображений на основе параллельного ОСП 139
5.3.2. Система распознавания изображений на основе конвейерного ОСП с линзо-растровой адресацией 141
5.3.3. Система распознавания изображений на основе конвейерного ОСП с зеркально-растровой адресацией 152
5.4. Распознавание малоразмерных объектов в нейросетевом ОСП 156
6. ОСП для решения задач обработки гидроакустических сигналов и моделирования динамических процессов 164
6.1. Обработка гидроакустических сигналов 164
6.1.1. Формирование веера характеристик направленности антенны 164
6.1.2. Спектральный анализ ГАС 169
6.1.3. Адаптивная обработка ГАС 170
6.1.4. Процессоры для обработки
гидроакустических сигналов 173
6.2. Моделирование динамических процессов на поверхности Земли 181
6.2.1. Нейронная модель динамического процесса 181
6.2.2. Основная модель процесса. 182 6.2.3.Компьютерное моделирование пожара 183
6.2.4. Результаты компьютерного моделирования пожара 190
6.2.5. Реализация модели пожара с использованием планарного оптико-электронного блока свертки. 194
6.3. Оценка характеристик ОСП
как вычислительного устройства 195
6.3.1. Оценка точности вычислений в ОСП 195
6.3.2. Оценка вычислительной производительности ОСП 201
6.3.3. Оценка габаритных и энергетических характеристик ОСП 202
Заключение 204
Литература
- Физико-технические основы построения оптико-электронных сигнальных процессоров (ОСП)
- Интегратор (пространственно-временной модулятор света)
- Линейные однородные интегральные преобразования (свертки)
- Голографический оптико-электронный процессор для распознавания изображений на аэрофотоснимках
Введение к работе
Актуальность темы и состояние вопроса. Оптическая вычислительная техника (ОВТ) - сравнительно молодая отрасль вычислительной техники, ее основное назначение, исходя из возможности параллельных операций в оптике над двумерными массивами, - обработка многоканальных сигналов и функций двух переменных. В электронной вычислительной техники (ЭВТ) эти задачи наиболее эффективно решают цифровые сигнальные процессоры (ЦСП). Для того, чтобы определить перспективы ОВТ, весьма полезно проанализировать ретроспективу эволюции (ЭВТ), поскольку эти две ветви отличаются лишь физико-технической реализацией элементов. Не умаляя значения для ЭВТ теории, следует признать, что главным движителем ее развития являлась элементная база. Первая стадия ЭВТ - электронные спецпроцессоры. Они отличались тем, что были предназначены для решения узкого круга задач, зато обладали достаточно высоким быстродействием (естественно, для своего времени). Далее началось бурное развитие универсальных электронных вычислительных машин. Обладая как вычислительными, так и логическими возможностями, ЭВМ в принципе могут решать любые вычислительные задачи. Однако, с точки зрения быстродействия они оказались малоэффективными при решении задач обработки сигналов (в том числе и функций двух пространственных переменных — изображений), где требуется выполнение множества однотипных операций, каждая из которых выполняется несколькими командами, в результате чего среднее быстродействие универсальных ЭВМ при решении указанных задач оказалось не слишком велико. Бурное развитие микропроцессорной техники общего назначения также не решило этой проблемы. Выход нашелся в создании микропроцессоров цифровой обработки сигналов (цифровых сигнальных процессоров - ЦСП), которые соединили достоинства универсальных вычислительных машин и специализированных процессоров. С одной стороны, ЦСП имеют общую базовую структуру, характерную для универсальных ЭВМ, с другой - некоторые особенности делают их схожими со спецпроцессорами. Несмотря на то, что вычислительная производительность как универсальных ЭВМ, так и ЦСП в последнее время растет гигантскими темпами, последовательный характер вычислений в них сохраняется. Появляется много вариантов распараллеливания операций, однако структура процессоров при этом существенно усложняется, а стоимость, соответственно, увеличивается. В случае перехода к параллельным или параллельно- последовательным архитектурам, что необходимо для решения перечисленных выше задач, оптические вычислительные структуры становятся конкурентоспособными с ЦСП.
Действительно, оптический канал передачи информации по широ-кополосности и помехоустойчивости не имеет себе равных, и в области передачи данных он уже занял достойное место. В то же время возможности оптики в части обработки используются далеко не полностью. При обработке огромную роль играют оптические межсоединения, как направленные (использующие световоды), так и межсоединения в свободном пространстве могут весьма эффективны применяться в системах обработки благодаря нескольким факторам:
• нейтральности фотонов и, как следствие, отсутствию взаимного влияния и низким энергетическим потерям при длинных межсоединениях;
• способности к частотному и временному уплотнению;
• большой гибкости маршрутизации ввиду возможности оптических пучков свободно проникать сквозь друг друга;
• возможности параллельной обработки в упрощенных и регулярных структурах (таких, как нейронные сети) при использовании переключаемых межсоединений.
Однако начиная с пионерской работы А. Ван дер Люгта с сотрудниками (1965 г.) и по настоящее время подавляющее большинство публикаций посвящено исследованию специализированных оптических процессоров. Каждый раз для решения конкретной прикладной задачи создается свой вариант процессора практически с нуля, в лучшем случае используется готовая элементная база, разработанная для других целей. Существенного прогресса в развитии и применении оптических процессоров можно ожидать, если была бы разработана универсальная архитектура, позволяющая с минимальными затратами конфигурировать процессор для решения конкретной задачи. Нам представляется, что в области ОВТ нецелесообразно проходить весь описанный выше путь ЭВТ. Имеющийся научно-технический задел позволяет уже сейчас перейти к созданию промышленных образцов аналогов ЦСП - оптико-электронных сигнальных процессоров (ОСП).
Такой подход к ОВТ до работ автора отсутствовал. Работы по созданию научно-технического задела в направлении, которое привело к концепции ОСП, начаты автором в 1970 г. Были созданы макеты устройств для распознавания изображений, представленных в контурном виде, умножения матриц, обобщенного спектрального анализа, нелинейного преобразования изображений, распознавания и определения координат обьек-тов в реальных сценах, обработки изображений с помощью управляемых транспарантов, блоки аналоговых оптических вычислений. Были разработаны, созданы и испытаны на реальных данных голографические системы информационного поиска химических спектров и распознавания объектов на аэрофотоснимках, голографические, светодиодные и конвейерные устройства распознавания реальных сцен с вводом их через управляемые транспаранты, голографическое устройство для контроля деталей сложной формы, голографические, акустооптические и светодиодные устройства обработки гидроакустических сигналов.
Эти исследования и разработки автора позволили сформулировать в 1979 г. концепцию оптико-электронных аналоговых вычислительных устройств (ОАВУ), а в 1987 г. - концепцию оптико-электронных сигнальных процессоров (ОСП).
Аналогично электронным аналоговым вычислительным устройствам, решающим обыкновенные дифференциальные уравнения, ОАВУ предназначены для решения уравнений в частных производных, в том числе нелинейных. Автором диссертационной работы впервые была показана возможность создания полноценных ОАВУ. Она появилась благодаря использованию в качестве машинной переменной параметров поляризации световой волны (эллиптичности и направления вращения). Принципы построения ОСП также были впервые сформулированы автором, возможность настройки их на решение различных задач обработки сигналов и изображений появилась благодаря предложенной автором идее оптического конфигурирования путем статической или динамической переадресации световых потоков между базовыми блоками.
ОАВУ могут успешно применяться для решения задач моделирования динамических процессов на плоскости, а ОСП могут весьма эффективно применяться в системах томографии, радиовидения, гидролокации, в нейросетевых вычислительных структурах и т.д. Следует обратить внимание на последнее приложение, поскольку ввиду огромного числа операций, требуемого для реализации нейросетевых алгоритмов, без высокой степени распараллеливания здесь обойтись трудно. Особо следует отметить задачи, характеризующиеся тем, что данные (обычно большие массивы сигналов — функций времени) представлены в виде оптических сигналов (например, задачи обработки гидроакустических сигналов, полученных от световолоконных гидрофонов).
Настоящая диссертация — итог многолетних исследований и разработок автора в области оптической обработки информации, которые привели к возможности создания нового класса оптических вычислительных устройств — оптико-электронных сигнальных процессоров.
Цели и задачи работы. Разработка теории и принципов построения оптико-электронных аналоговых вычислительных устройств и оптико-электронных сигнальных процессоров, разработка и экспериментальное исследование основных элементов ОЭАВУ - управляемых транспарантов; создание базовых элементов ОСП и построение на их основе опытных образцов ОСП для решения прикладных задач по обработке изображений и сигналов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
• Разработка принципов построения аналоговых оптико-электронных вычислительных систем, включающих блоки поточечных (алгебраического сложения, вычитания, умножения, нелинейного преобразования) и пространственных (интегро-дифференцирования, двумерной свертки) операций над двумерными массивами.
• Разработка методов построения нового класса вычислительных устройств - оптико-электронных сигнальных процессоров (ОСП), исследование их характеристик: точности, вычислительной производительности, габаритно - энергетических параметров.
• Разработка методов конфигурирования ОСП для решения прикладных задач обработки сигналов и изображений, в том числе: распознавания изображений, обработки гидроакустических сигналов, моделирования динамических процессов на поверхности Земли.
• Разработка принципов построения оптико-электронных контрольно-измерительных устройств, основанных на аналоговой оптической обработке теневых полей контролируемых деталей голографическим процессором.
• Создание и исследование экспериментальных образцов ОСП для решения практических задач на основе разработанных принципов по
строения новых базовых элементов ОСП, в т.ч. элементов для оптического конфигурирования Методы исследований. В диссертационной работе использовались теория математических преобразований в оптике, теория обработки сигналов и изображений, моделирование на ЭВМ, экспериментальное исследование созданных базовых блоков ОСП, макетов и экспериментальных образцов
Научная новизна работы.
• Предложен, разработан и экспериментально исследован новый класс вычислительных устройств - оптико-электронные сигнальные процессоры (ОСП), позволяющие при одной и той же базовой структуре реализовать заданные алгоритмы обработки сигналов с помощью оптического конфигурирования. Это достигнуто путем переадресации световых пучков между базовыми блоками.
• Впервые разработаны методы оптических аналоговых вычислений, основанные на использовании в качестве машинной переменной поляризационных характеристик световых потоков, обеспечивающих выполнение базового набора математических операций для ОСП, в том числе вычитания и нелинейных преобразований, трудно реализуемых в традиционных оптических вычислительных системах.
• Разработан и исследован оригинальный метод выполнения одной из базовых операций ОСП - свертки (корреляции) двумерных функций с помощью голографи ч ее ких конвольверов с пространственно-некогерентным освещением, обеспечивающих высокую точность вычисления свертки (корреляции) функций при существенно сниженных (по сравнению с пространственно-когерентными системами) требованиями к элементной базе процессора.
• Разработаны и экспериментально исследованы методы конвейеризации ОСП, в результате теоретических и экспериментальных исследо
ваний показано, что в предложенных конвейерных ОСП, осуществляющих параллельно-последовательную обработку, обеспечивается высокая вычислительная производительность (до 1012опер/сек) при существенном технологическом упрощении ( по сравнению с параллельной обработкой ) элементной базы.
• Предложены, разработаны и экспериментально подтверждены принципы построения высокопроизводительных ОСП для распознавания изображений, обработки гидроакустических сигналов.
• Предложены, разработаны и подтверждены путем компьютерного моделирования принципы прогнозирования с помощью ОСП развития динамических процессов на поверхности Земли, основанного на использовании нейросетевой идеологии (размерность области распространения процесса 512 512 пикселов2).
• Предложены новые принципы оптического контроля изделий с использованием голографи чес ких методов, на их основе созданы и испытаны промышленные образцы контрольно-измерительных устройств.
Практическая значимость работы и реализация научных результатов
Создан принципиально новый класс средств оптической вычислительной техники - ОСП, позволяющий использовать один и тот же оптический процессор для решения различных практических задач путем оптического конфигурирования.
Разработаны и созданы высокопроизводительные устройства оптической обработки изображений и сигналов на основе ОСП для решения следующих прикладных задач: дешифрирования аэрокосмических фотоснимков размерностью 104x104 пикселов2, распознавания изображений реальных сцен размерностью 512x512 пикселов2, нейросетевой обработки
изображений, обработки гидроакустических сигналов, включающей формирование характеристики направленности, спектральный анализ и адаптацию к локальным и глобальным помехам (количество гидрофонов - 103, диапазон частот 10гц - Ібкгц, число пеленгов - 102). Перечисленные устройства внедрены в Сибирском НИИ оптических систем, ЛНПО «Океан-прибор», ПО «Завод Арсенал», Московском КБ киноаппаратуры, ГП «Гидроприбор». Голографическое контрольно-измерительное устройство, являющееся совместной разработкой ИАиЭ СО РАН и ЦКБ «Точприбор» (автор был ответственным исполнителем от ИАиЭ СО РАН) выпущено Новосибирским приборостроительным заводом малой серией. На защиту выносятся:
1. Принципы построения оптико-электронных сигнальных процессоров -нового класса оптических вычислительных систем.
2. Нетрадиционный подход к выполнению аналоговых оптических вычислений, основанный на использовании в качестве машинной переменной поляризационных характеристик (эллиптичности) световых потоков.
3. Оригинальные методы конвейеризации обработки информации в ОСП с параллельно-последовательной организацией вычислений, при которой осуществляется векторный (не матричный) ввод информации.
4. Новые принципы построения голографических конвольверов двумерных сигналов (изображений), основанные на использовании монохроматического пространственно некогерентного света.
5. Новые принципы построения голографических контрольно-измерительных устройств, в которых в качестве входного сигнала используется теневое поле контролируемого объекта.
6. Принципы нейросетевого моделирования (компьютерного и оптико-электронного) развития динамических процессов на поверхности Земли, позволяющего осуществлять адаптивный прогноз протекания процесса. 7. Экспериментальные и опытные образцы оптико-электронных процессоров для решения конкретных прикладных задач (распознавания изображений, обработки гидроакустических сигналов, контроля промышленных изделий) с вычислительной производительностью 10м -102опер./сек.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всесоюзных школах-семинарах по оптической обработке информации (Горький, 1974, 1978; Рига, 1980; Минск, 1982; Киев, 1984; Фрунзе, 1986), на Международном симпозиуме по прикладной голографии (Прага, 1981); на X Международном конгрессе "Прикладная оптика" (Прага, 1981); на 1 Всесоюзной конференции "Оптическое изображение и регистрирующие среды" (Ленинград, 1982); на Всесоюзном семинаре по обработке аэрокосмических изображений (Москва, 1983); на Всесоюзных конференциях по оптической обработке информации (Ленинград, 1986; Фрунзе, 1990); на Всесоюзной школе-семинаре "Распараллеливание обработки информации" (Львов, 1979); на международных советско-американских семинарах по оптической обработке информации (Вашингтон, 1975; Новосибирск, 1977); на международных советско-западногерманских семинарах по оптической обработке информации (Новосибирск, 1982; Фрайзинг, 1983; Новосибирск, 1985); на Международном семинаре "Оптические вычисления" (Новосибирск, 1986); на Международном семинаре "Оптические информационные технологии" (Новосибирск, 1989); 4-й конференции "Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии" -РОАИ-4-98 (Новосибирск, 1998); VII Всероссийском семинаре "Нейроинформатика и ее приложения", (Красноярск, 1999); 5-й международной конференции "Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии" -РОАИ-5-2000 (Самара,2000); Всероссийской с участием стран СНГ конференции «Методы и средства обработки сложной графической информации», (Н.Новгород, 25-27 сентября, 2001); World Multiconference on Systemics, Cybernetics and Informatics (SCI 2001), Orlando, Florida, USA, 2001; 9 Всероссийском семинаре «Нейроин-форматика и ее приложения», (Красноярск, 5-7 октября, 2001); World Conference Automation, Control and Information Technology - ACIT2002). Russia, Novosibirsk, 2002.
Научно-исследовательской работе "Сфера-Перспектива", основанной на результатах диссертации, присуждено первое место на конкурсе прикладных НИР в Сибирском отделении РАН в 1989. г.
Личный вклад. Диссертация является обобщением работ по оптической обработке информации, выполненных автором в Институте автоматики и электрометрии СО РАН с 1970 г. по настоящее время. По всем работам, вошедшим в диссертацию, автор был руководителем или ответственным исполнителем. Автору принадлежат постановка и обоснование задач, предложение способов их решений. Макетные образцы оптико-электронных процессоров создавались коллективом сотрудников под руководством и при непосредственном участии автора. Главная концепция диссертации, определяющая принципы построения аналоговых оптических вычислительных устройств и оптико-электронных сигнальных процессоров, предложена и разработана лично автором.
Публикации. По теме диссертации соискателем лично и в соавторстве опубликовано печатных работ, в том числе - 23 авторских свидетельств. Результаты исследований и разработок изложены в 19 научно-технических отчетах.
Физико-технические основы построения оптико-электронных сигнальных процессоров (ОСП)
Как уже отмечалось во введении, прототипом оптико-электронных сигнальных процессоров (ОСП) стали цифровые сигнальные процессоры (ЦСП), в которых, несмотря на ограниченный набор базовых операций, реализуются все алгоритмы обработки сигналов (далее под этим термином будем понимать и двумерные сигналы - изображения). Конечно, ОСП подобны ЦСП скорее функционально, чем архитектурно. Основными блоками ЦСП являются [108]: арифметико-логическое устройство, умножитель, устройство микропрограммной последовательности, связанное с памятью и контроллер. ОСП в общих чертах повторяет структуру ЦСП. Главное отличие: ОСП являются аналоговыми устройствами - цифровые реализации их вполне возможны (и частично будут рассмотрены в настоящей работе), однако они вряд ли будут конкурентоспособны по отношению к ЦСП по быстродействию. Однако если учесть специфику большинства алгоритмов обработки сигналов, можно построить ОСП, использовав элементы аналоговой оптоэлектроники.
Основной особенностью и достоинством ОСП является параллельность обработки данных в дискретизированном пространстве. Главная проблема оптического процессора — его статичность, трудность изменения алгоритма обработки, в более широком смысле - невозможность настройки (конфигурирования) на решение различных задач. Решение этой проблемы достигнуто автором путем: 1) ввода исходной информации в виде временной последовательности векторов, а не параллельных массивов (матриц); 2) конвейеризации вычислительных процессов; 3) переиндексации промежуточных и результирующих массивов инфор мации путем их пространственного сдвига (в оптике пространственные координаты — независимые переменные); 4) переадресация световых информационных потоков в процессе вычис ления.
Технически это достигается: по п.1 — либо за счет естественного временного изменения сигнала, либо путем сканирования (например, телевизионного) изображения. Пп.2, 3 обеспечиваются применением динамических элементов оптоэлектроники — ПЗС матриц, акустооптики и т.д. Технические средства переадресации световых пучков (п.4) могут быть выполнены на основе световодных, голофафических, линзо - растровых и иных оптических элементов.
В соответствии с изложенным наиболее общая структура ОСП, обеспечивающего решение задач обработки сигналов с потоковыми вычислениями, имеет вид, представленный на рис.2.1.
Информация в ОСП поступает либо в реальном времени, либо через буферную память входных данных, если темп поступления данных не совпадает с темпом их обработки. В цифроаналоговой входной секции формируются сигналы, управляющие теми или иными параметрами преобразователя электрический сигнал - свет, несущими информацию о входных данных. В качестве преобразователя могут использоваться либо активные светоизлучатели (тогда информацию несет обычно энергия светового импульса), либо пассивные (тогда данные вводятся в виде пространственного распределения плотности, коэффициента преломления, сдвига фазы или другого параметра модулирующей среды). Особо следует отметить вариант, в котором оптические сигналы формируются непосредственно в датчиках, передаются по световолоконным линиям и вводятся в процессор без преобразования в электрический сигнал. Пример такой обработки будет представлен в разделе 6.
Секция декремента индексов входных сигналов необходима тогда, когда информация вводится параллельно (например, в виде изображения). В большинстве задач обработки сигналов последние поступают в виде временной последовательности векторов (в том числе - в виде последовательности строк телевизионного изображения), тогда декремент индексов входных сигналов осуществляется автоматически. Далее через блок переадресации входные данные подаются в арифметико - логическое устройство (АЛУ). По другому каналу (через блок памяти данных) туда же направляется другой массив. Это могут быть коэффициенты, входные или выходные данные, результаты промежуточных вычислений и т.д. АЛУ представляет собой процессор, основной частью которого являются управляемые транспаранты (УТ). В зависимости от настройки в АЛУ может производиться алгебраическое сложение, умножение массивов или логические операции над ними. Важнейшую роль играет блок переадресации. Именно он, адресуя входные данные на соответствующие зоны модулятора, обеспечивает выполнение главной части программы обработки.
После выполнения арифметико - логических операций результат об-работки через второй блок переадресации поступает в блок декремента индекса выходных данных. Он, как правило, выполняется на основе ПЗС матриц в режиме временной задержки с накоплением (режим ВЗН) и выполняет следующие функции: а) формирует зарядовый рельеф, пропорциональный световым потокам, падающим на фоточувствительную поверхность; б) смещает этот рельеф с темпом переиндексации данных; в) суммирует световые потоки по мере смещения зарядового рельефа. Совокупность операций декремента индекса данных и статической переадресации последних позволяет производить не только практически произвольную переиндексацию массивов, но и обработку их в конвейерном режиме. Указанные операции обеспечивают вычисление одной из базовых операций ОСП, присутствующей в подавляющем большинстве алгоритмов обработки сигналов - обобщенной свертки операндов АЛУ.
Интегратор (пространственно-временной модулятор света)
Этот элемент должен запоминать и накапливать в виде электрического поля подаваемые на него изображения. Его конструкция и обозначение представлены на рис. 3.1.
На примере обозначения интегратора рассмотрим и другие обозначения в схемах ЭОАВУ . Две параллельные линии, между которыми нет штриховки, обозначают световой сигнал, пространственно промоделированный по разности фаз р между обыкновенным и необыкновенны пучками. Прямая поперечная линия обозначает, что оптический сигнал по про странству непромодулировон, т.е. пучок равномерный. Штриховка обозначает, что оптический сигнал задан в виде пространственного распределения интенсивности.
Функция, записанная в нижней части обозначения интегратора, задает распределение электрического поля в интеграторе в начале цикла интегрирования. По входу / подается световой сигнал, распределение которого соответствует накапливаемому на интеграторе изображению Afn (х,у), которое суммируется или вычитается из изображения/,_; (х,у). Знак Л/„ (х,у) зависит от состояния интегратора в данный момент времени. По входу 2 подается либо равномерный световой сигнал, либо модулированный по пространству. В первом случае выходной сигнал после и тактов будет где а; = ±1 и определяется состоянием интегратора. 3 - выход. В непрерывном варианте обозначение интегратора - управляемого транспаранта представлено на рис. 3.2. Его функционирование описывается выражением г где к - константа, а знак перед интегралом зависит от полярности приложенного напряжения.
Требованиям, предъявляемым к интеграторам, в наибольшей степени удовлетворяет управляемые транспаранты свет - свет, например, на основе сред с линейным электрооптическим эффектом. Один из таких управляемых транспарантов был создан впервые в стране под руководством и при участии автора.
Это транспарант на основе соединений nBi2 OymR [110], сочетающих фотопроводимость в видимой области спектра и линейные электрооптические свойства, что позволяет создавать предельно простые конструкции, обладающие широкими возможностями по электрооптической обработке информации. Соединения типа nBi2 OymR, где R — окись германия, титана, кремния, алюминия, цинка, свинца и т. д., относятся к структурному типу силленита [111]. Известно более 20 изоморфных соединений типа силленита, однако все они получены в виде поликристаллических образцов и лишь два изоструктурных соединения (германосилленит Bi2GeO20 [112] и силикосилленитЛ/ / У/ Оіо [113, 114]) получены в виде монокристаллов.
Выращивание кристаллов обычно осуществляется методом Чохраль-ского. Силлениты обладают достаточно низкой температурой плавления (около 900 С). Монокристаллы Bi2Ge02e и ВИЮ2о прозрачны в диапазоне 0,45 - 6 мкм и имеют желтоватый цвет. Они являются высокоомными полупроводниками и обладают собственной фотопроводимостью, максимум которой соответствует длине волны 4200 А, и линейным электрооптиче ским эффектом Поккельса. Так, для германосилленита темновое сопротив Л A fl ление уменьшается с 10 до 6 10 ом-см при плотности мощности засветки 5,7 мвт см"1 на длине волны Не - Cd лазера (4416 А) . В отсутствие электрического поля оптически изотропные кристаллы под воздействием поля становятся двулучепреломляющими, причем разность хода между обыкновенной и необыкновенной волнами линейно зависит от приложенного напряжения. Вариант конструктивного оформления пространственно-временного модулятора света на монокристаллах Bit2GeO20 и Віі 5Ю2в представлен на рис. 3.3. Принцип действия устройства сводится к следующему. При экспонировании кристалла светом с длиной волны в диапазоне 3800 - 4500 А происходит генерация фотоэлектронов, а соответственно и резкое снижение сопротивления в засвеченных участках. При этом внешнее электрическое поле, приложенное к устройству, перераспределяется между кристаллом и слоем прозрачного диэлектрика. Пространственная модуляция электрического поля в кристалле приводит к локальному изменению коэффициента преломления и наведенному двулучепреломлению.
Линейные однородные интегральные преобразования (свертки)
Одним из достоинств оптических процессоров, как ОАМ, так и ОСП является сравнительная простота реализации в них пространственных операторов типа свертки (корреляции), описываемых выражением r(4,)=f h=fff(xty)h (ц-х, -y)dxdy (4.1)
Эти операции часто применяются при обработке сигналов и изображений и при больших размерах последних весьма времяемки.
В литературе устройства, реализующие эти функции, обычно называют корреляторами, однако в нашей терминологии это - блоки оптических процессоров, аппаратно реализующие операцию свертки, поэтому в дальнейшем будем называть их блоками свертки (БС) или конвольверами кроме случаев использования литературных прототипов.
Наибольшую вычислительную производительность имеют гологра-фические блоки свертки, в которых f(x,y) представлена в виде распределения амплитуды или интенсивности, a h(x,y) — импульсный отклик гологра-фического фильтра. Именно с этого класса устройств, предложенных А. Вандер Люгтом с соавторами в 1964 г. начались интенсивные исследования в области оптической обработки информации. В этих устройствах от функции f(x,y) в виде распределения амплитуды пространственно когерентного света осуществляется оптическое Фурье преобразование.
Когерентный свет, излучаемый лазерным источником L, коллимиру-ется и освещает транспарант в плоскости Р/ с записанной на нем функцией f(x,y)..Объектив О2 обеспечивает Фурье трансформацию этой функции и умножение ее на Фурье трансформацию функции h(xry), записанную на голографическом фильтре. Объектив Оз осуществляет обратное Фурье преобразование произведения, в результате чего в плоскости Рз формируется функция свертки r(t},Q.
Существенной элементом такого процессора, определяющим характер обработки входного сигнала, является голографический фильтр.
Такой фильтр обеспечивает вычисление свертки входного изображения с двумя эквидистантными контурами с противоположными знака-ми[21]. Его практическое применение будет описано в разделе 6, здесь опишем способ его реализации. Пусть в системе координат эталона (хгу) имеется кривая у=ф (х). Перейдем в систему координат, связанную с контуром (s,n), где s - дуга, а .«-нормаль к кривой. Тогда импульсный отклик фильтра будет h(s,n) = S(n-A/2) S(n+A/2) (4.5)
Система координат s,n для каждого фиксированного положения кривой у-ф(х) связана с условным центром (є,, .Поскольку операция свертки для фиксированной точки в выходной плоскости вырождается в скалярное произведение, подавая на вход такой системы f(s,n), получим на выходе процессора в точке, сопряженной с (Є{, є , \\f{s,n)[S{n-Sj2) -#(n+W)]dnds = j[/ V)-/(:V№, где/ }(s) и/ J(s) - контуры, эквидистантные к линии у=ф (х) и отстоящие от нее на расстоянии Л /2.
Задача апостериорного восстановления качества изображений относится к широкому классу задач редукции к идеальному прибору [116]. Как отмечалось в разделе 1, возможность решения этой задачи на основе применения методов голографии продемонстрирована Дж. Строуком и его сотрудниками [25]. В этой работе компенсация несовершенства некоторого прибора как линейной системы с передаточной функцией Н( достигается путем применения инверсного фильтра, имеющего передаточную функцию . Эта функция реализуется при помощи двух транспарантов Н(й ) фильтров, один из которых представляет амплитудную часть функции и изготавливается фотографическим способом, а другой - фазовую часть и получается голографи чес ким способом. Такая фильтрация имеет ряд принципиальных недостатков, обусловленных тем, что в тех точках частотной плоскости, где Н(ш)=0, передаточная функция не определена, а неизбежное присутствие шума в восстановленном изображении приводит к тому, что решение интегрального уравнения, дающее передаточную функцию инверсного фильтра, оказывается неустойчивым также в окрестностях точек, в которых 11(5)=0. Эти особенности инверсной фильтрации приводят к тому, что несмотря на преодоление технических трудностей, связанных с необходимостью обеспечения большого динамического диапазона регистрирующей среды для записи амплитудного транспаранта и его точного совмещения с голографическим фильтром, передаточная функция реального инверсного фильтра в окрестностях точек Н( у) = 0 отличается от теоретической, что может привести к большим ошибкам при восстановлении изображения.
Этих недостатков лишена оптимальная фильтрация, предусматривающая минимизацию среднеквадратического отклонения функции восстановленного изображения от функции неискаженного изображения с учетом отношения сигнал/шум. Основываясь на результатах работы К. Хелстрома [117.], можно показать, что передаточная функция оптимального восстанавливающего фильтра отличается от передаточной функции ин верснрго фильтра 1/Н(5) наличием действительного положительного множителя вида : , где р{аУ) 0-значение отношения 1 + И( 5[ р( о) сигнал/шум в восстанавливаемом изображении. Передаточная функция оптимального фильтра определена при всех 3 и позволяет получить единственное и устойчивое решение исходного интегрального уравнения при наличии шума.
Голографический оптико-электронный процессор для распознавания изображений на аэрофотоснимках
Важнейшую роль в ОСП играют пространственно- временные модуляторы света или управляемые транспаранты (УТ). В п. 3.5.1 УТ рассматривались с точки зрения использования их как устройств ввода. В АЛУ они выполняют другую функцию — умножение двух операндов, один из которых представлен в виде светового потока, а другой - в виде функции пропускания УТ. Поэтому основное требование к УТ - обеспечение модуляции светового потока. К настоящему времени разработано большое количество УТ, основанных на самых различных принципах. Для ОСП наибольший интерес представляют жидкокристаллические модуляторы с электронным управлением. Они имеют следующие достоинства (по литературным данным): - высокую разрешающую способность (до 106 пикселов/см2) ; - широкий динамически диапазон (до бОдб); - высокое быстродействие (несколько микросекунд/элемент и несколько миллисекунд на весь транспарант); - удобное управление элементами УТ электронными средствами, допускающее его использование в ОСП в планарном исполнении.
Приборы с зарядовой связью (ПЗС) являются важнейшими элементами ОСП. Помимо преобразования оптических сигналов в электрические они выполняют еще роль и многоканальных регистров сдвига, обеспечивая инкремент данных, и сумматоров. ПЗС в основном разрабатывались для телевизионных систем, тем не менее многие их свойства соответствуют требованиям ОСП: большое количество элементов (106 и более), широкий динамический диапазон (до 8.5-10 градаций), высокие скорости сдвига данных (до Юмгц). Основным недостатком ПЗС с точки зрения использования их в ОСП является низкая скорость считывания сигнала с выходного регистра, привязанная к строчной частоте телевизионного сигнала. Быстродействие ОСП можно было бы повысить в к раз, если бы в нем использовался специализированная ПЗС матрица с многосекционным выходным регистром, где к -количество секций.
Выводы. В главе показано, что на основе базовой операции свертки в ОСП можно производить сложные математические операции над числовыми массивами, описывающими изображения и сигналы: обработку их нелинейными интегральными операторами, матричное умножение, линейные интегральные преобразования общего вида и т.д. Вид операции задается путем оптического конфигурирования ОСП. Предложены и проанализированы различные технические реализации оптических блоков свертки -конвольверов: параллельный голографический некогерентный, параллельный оптический, конвейерный объемный, конвейерный планарный. Сформулированы требования к элементной базе ОСП, показано, что создание специализированной элементной базы позволило бы существенно улучшить характеристики ОСП.
Распознавание изображений относится к классу весьма распространенных задач. В алгоритме распознавания всегда присутствует функция вычисления меры близости распознаваемого изображения и эталона. Вид этой функции определяется характером задачи распознавания. Например, в случае распознавания детерминированных изображений, зашумленных белым нормальным шумом, оптимальным (с точки зрения минимизации среднего риска) критерием распознавания является корреляционный, в котором мерой близости является выражение 3.1, если местоположение изображения, описываемого эталоном h(x,y) в поле наблюдения f (х,у) неизвестно. Следует отметить, что скалярное произведение /ff(x,y)h (х, y)dxdy, входящее в эту меру, используется как составная часть многих других методов распознавания, прежде всего методов, основанных на разложении распознаваемого изображения по некоторой заданной системе функций, причем ввиду присутствия параметров смещения TJ, , можно получить скользящее разложение по системе функций.
В настоящем разделе будет изложено несколько вариантов решения прикладных задач с помощью оптико-электронных процессоров, причем те алгоритмы, которые ранее реализо вы вались в голографических процессорах, вполне реализуемы и в конвейерных ОСП.
